Hybrid Synergy Drive
Hybrid Synergy Drive ili skraćeno HSD, je čitava grupa tehnologija, koje je Toyota razvila i koje se koriste u njihovim proizvodima, kao što su: Prius, Highlander Hybrid, Camry Hybrid, Lexus RX400h, Lexus GS 450h i Lexus LS 600h. HSD tehnologije veoma uspešno kombinuju elektični pogon, E-CVT (elektronski upravljani CVT menjač) menjače i motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Synergy Drive se oslanja na kontrolu gasa putem električnog signala (drive by wire), tj. ne postoji nikakva mehanička veza između motora i komande gasa.
HSF tehnologija je druga generacija originalnog hibridnog rešenja, koje je nosilo naziv Toyota Hybrid System, odnosno THS, i koje je korišćeno u prvoj generaciji Priusa proizvođenoj od 1997. do 2003. godine. Otuda se ponekad HSD naziva i kao THS II.
Nakon što je Lexus marka ponudila hibridne modele, koji su koristili hibridni pogon sa nazivom Lexus Hybrid Drive, Toyota je odlučila da sa jedinstvenim nazivom Hybrid Synergy Drive obuhvati sva hibridna rešenja, koja se koriste u svim njenim proizvodima.
HSD, kao što smo rekli, obuhvata čitav niz hibridnih tehnologija. Kad kažemo čitav niz, podrazumevamo više različitih verzija ove tehnologije. Od kako je po prvi put upotrebljena u Priusu, 1997. godine, ova tehnologija se razvijala, pa je tako revizija, koja se ugrađivala u Lexus modele od 2006. godine mogla da se nađe u pojedinim Priusima prodavanim tokom 2005. godine.
Kako funkcioniše HSD?
Benzinski motori sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS motor) su, po definiciji, motori sa veoma malim koeficijentom iskorišćenja. Dodatno, takvi motori svoje najviše iskorišćenje postižu u specifičnim uslovima upotrebe, odnosno u veoma uskom opsegu obrtaja. Sangu koju motor proizvodi se šalje na menjačku kutiju, kojom se uz pomoć menjačkih odnosa šalje odgovarajuća snaga na točkove.
HSD sistem u potpunosti zamenjuje menjač, alternator i anlaser sa jednim parom električnih motor-generatora, kompjuterskim sistemom za njihovu kontrolu, mehaničkim deliocem snage, koji se ponaša kao drugi diferencijal i setom baterija, koje se ponašaju kao rezervoar struje.
Generator (motor-generator) je konvertor, pretvara električnu energiju u kretanje i obratno. Mehaničke veze sistema omogućavaju kompjuterskom sistemu da pretvori mehaničku snagu u tri različite forme: dodatni obrtni momenat na točkovima (pri konstantnom broju obrtaja), dodatna brzina na točkovima (pri konstantnom obrtnom momentu) i struja.
U praksi HSD pogonjeni automobil je sposoban da prevali 2-3 km bez benzina i takav režim bi trebalo koristiti u vanrednim situacijama, kada automobil ostane bez benzina.
HSD sistem poseduje par motor generatora (MG u daljem tekstu), jedan se naziva MG-T ili MG1 (T kao „Torque„, odnosno obrtni momenat), dok se drugi naziva MG-S ili MG2 (S kao „Speed„, odnosno brzina). MGT se nalazi na pogonskoj osovini i on šalje obrtni momenat na nju ili njegov višak konvertuje u električnu energiju i nju šalje u baterije. Benzinski motor je sporjen na pogonsku osovinu preko posebnog diferenicijala, koji je sa jedne strane povezan na sam motor, dok je drugi deo povezan na MG-S.
Ovaj diferencijal izjednačava brzinu rotacije točkova sa brzinom rotacije benzinskog motora i MG-T, čime se obezbeđuje da MG-T apsorbuje razliku razliku brzine kretanja točkova i benzinskog motora. Ovaj diferencijal je diferencijalno planetni prenosnik (u orginalu – epicyclic gearset), koji je uz dva MG-a upakovan u jedno kućište i pripojen benzinskom motoru. Specijalne spojke i senzori prate brzinu rotacije svih elemenata sistema, kao i ukupnog obrtnog momenta na pogonskoj osovini, a sve te informacije se šalju centralnom računarskom sistemu automobila.
HSD sistem odgovarajućom preraspodelom električne energije između dva motor generatora i baterija, ujednačava opterećenje, koje trpi benzinski motor. Zahvaljujući ujednačenom opterećenju, zapremina i snaga motora se dimenzioniraju prema normalnom opterećenju, a ne prema maksimalnim opterećenjima, kao kod klasičnih automobila te je time omogućeno da se koristi benzinski motor značajno manje zapremine. Poznato je da su motori manjih zapremina efikasniji nego oni sa većim zapreminama što omogućava uštedu goriva, a dodatno zbog HSD sistema je moguće da se motor koristi isključivo u idealnom radnom opsegu pa se i na taj način postiže povećana efikasnost i smanjena potrošnja goriva.
Razlikuje se više režima rada u zavisnosti od brzine i zahtevanog obrtnog momenta:
Start motora: Da bi se motor pokrenuo, MG1 dobija negativan napon i time praktično postaje anlaser tj. starter. Kako su oba motor generatora projektovana da pokreću ceo automobil, pokretanje motora nije opterećenje za motor generatore. Jedna od karakteristika je da se ne čuje standardni zvuk starta motora (verglanje), već je pokretanje motora (skoro) bezšumno. Startovanje motor se može odigrati bilo kada je vozilo u kretnji ili stoji nepokretno.
Nizak stepen prenosa, odnosno ekvivalent: Ubrzanje sa malih brzina je normalna operacija, motor se okreće daleko brže nego točkovi, ali ne proizvodi dovoljno obrtnog momenta. MG1 dobija komandu od računara da preusmeri višak energije u MG2, koji dodaje obrtni momenat na pogonsku osovinu i time omogućava daleko veću snagu i obrtni momenat pri niskim obrtajima.
Visok stepen prenosa, odnosno ekvivalent: Kada se automobil kreće umerenom putnom brzinom, benzinski motor se okreće sporije nego točkovi i razvija više obrtnog momenta nego što je potrebno. Kompjuter preusmerava električnu energiju na MG1, koji tu energiju pretvara u brže okretanje pogonske osovine.
Kretanje unazad, rikverc: Kod HSD sistema ne postoji posebna brzina kao kod klasičnih menjača, već kompjuter šalje negativan napon na MG2 čime se šalje negativan obrtni momenat na točkove. Rani modeli HSD sistema nisu obezbeđivali dovoljno momenta, tako da ti automobili nisu mogli da se kreću unazad po strmim usponima. Nove verzije imaju revidirani sistem pa taj problem ne postoji. Ukoliko je napon sa baterija nedovoljan, sistem istovremeno koristiti benzinski motor čija će se energija konvertovati preko MG1 i slati na MG2. Ovakav režim rada ima povećane gubitke, pa je momenat, koji se isporučuje na točkove nešto manji od maksimalno raspoloživog.
Tihi rad: Pri sporom kretanju i umerenoj potrebi za obrtnim momentom, HSD sistem može funkcionisati i bez benzinskog motora. Elektična energija iz baterija se usmerava samo na MG2, dok se MG1 ponaša kao kvačilo, koje u potpunosti odvoji benzinski motor od osovine. Ovaj režim se naziva EV tj. Električno Vozilo (Electric Vehicle). Ukoliko je baterija napunjena, ovakvim režimom automobil može da prevali i nekoliko kilometara bez korišćenje benzinskog motora.
Prazan hod – „ler“: Kod HSD sistema, neutral se postiže gašenjem i odvajanjem benzinskog motora od pogonske osovine.
Regenerativno kočenje: HSD sistem koristi kočenje tako što se MG2 koristi u suprotnom smeru te se usporenje pretvara u elektičnu energiju, koja se šalje u baterije. Na ovaj način HSD simulira rad klasičnog kočionog sistema akumulirajući energiju za kasnije korišćenje. Regenerativno kočenje, odnosno MG2 može da pruži veoma dobre kočione sposobnosti, te se pravi kočioni sistem automobila aktivira tek u slučajevima kada je potrebno veoma naglo zaustavljanje. HSD sistem poseduje poseban režim rada menjača obeležen sa „B“ (adekvatan „L“ brzini kod klasičnih automatskih menjača). Ovaj režim obezbeđuje da prilikom dugotrajnog spuštanja, sistem nakon što se baterija u potpunosti napuni, ne otkači motor i prebaci ga u ler, već ostavi benzinski motor priključen tako da on praktično usporava vozilo, dok se kočioni sistem prebacuje na klasični kompresioni.
Dodatno elektično ubrzanje: Ukoliko vozač, pritiskom na pedalu gasa, zatraži ubrzanje, kompjuter će, ukoliko je moguće, prvo iskoristiti električnu energiju da obezbedi zadate performanse, pa će tek, ukoliko je to nedovoljno, povećati broj obrtaja motora i time obezbediti željene performanse.
Punjenje baterija: HSD može puniti baterije i kada automobil stoji, tako što će mehanička snaga benzinskog motora preko MG1 biti preusmerena u bateriju.
Atkinsonov ciklus
Visoka ekonomija Priusa dolazi ne samo od HSD sistema, već deo zasluga ide i benzinskom motoru, koji radi na Atkinsonovom principu. Razlika između klasičnog Otto i Atkinsonovog ciklusa je u tome što Atkinsonov ciklus omogućava veću efikasnost motora na uštrb performansi. James Atkinsonon je 1882. izmislio ovaj princip kako bi izbegao plaćanje licenci za pravljenje motora napravljenih po Otto principu. Atkinsonov princip omogućava da za jedan okretaj radilice motora motor uradi sve četiri faze (usis, kompresija, sagorevanje, izduv) četvorotaktnog motora budu izvršene.
Ovakav tip motora ima specifično izveden takt usisa goriva i vazduha kako bi se sprečila pojava otpora usled formiranja vakuma u cilindru, koja se javlja kod motora koji su projektovani na Otto principu. Prius poseduje 1,5 litarski benzinski motor, koji radi na Atkinsonovom principu. Motor sa kodnom oznakom 1NZ-FXE ima radnu zapreminu od 1496ccm i uz veoma visok stepen kompresije od 13:1 razvija 57 kW (76 KS) pri 5000 obrtaja i 115 Nm pri 4000 obrtaja.
Tehnika vožnje HSD automobila:
Da bi se fabrički deklarisana ekonomija hibridnih vozila postigla, potrebna je pažljiva i edukovana vožnja. Da bi hibridni automobil bio ekonomičan, potrebno je što efikasnije koristiti benzinski motor što zahteva:
Grejanje kabine: Zagrejavanje putničke kabine je protivno dizajnu HSD sistema. HSD sistem je tako konstruisan da bude što efikasniji, tj. da pravi veoma malo nepotrebne energije. Kod klasičnih automobila, nepotrebna (toplotna) energija se koristi za zagrevanje putničkog prosotra. Kod Priusa, grejač zahteva od benzinskog motora da radi isključivo radi grejanja kabine. Ukoliko vam je grejanje upaljeno, Prius verovatno neće isključiti motor kada se zaustavite, ukoliko je grejanje uključeno. Ukoliko je grejanje isključeno, motor će biti ugašen pre samog zaustavljanja i kompjuter ga neće startovati sve dokle god električni pogon može da obezbedi željenu brzinu kretanja.
Ubrzanje: Hibridni automobili mogu da koriste veoma malo snage benzinskog motora ili da ga potpuno isključe ukoliko je zahtevano ubrzanje umereno. Iz tog tazloga HSD sistem je daleko osetljiviji na stil vožnje. Snažna ubrzanja uslovaljavaju da se HSD sistem nalazi u veoma neefikasnom režimu, dok će umerena ubrzanja omogućiti veoma efikasan benzinskog motora i samim tim veoma efikasan režim rada HSD sistema, koji u tom režimu maksimalno koristi elektičnu energiju da obezbedi potrebno ubrzanje. Postoji i druga teorija vezana za ubrzanje, a to je ta ubrzanja trebaju da budu britka (dakle odlučna i brza, ali ne toliko brza da postanu opasna) čime se forsira da benzinski motor radi na visokom obrtaja, kada benzinski motori postižu svoju maksimalnu efikasnost.
Progresivno kočenje: Regenerativno kočenje koristi energiju, koje generiše kočenje, ali ne može da obezbedi kočionu silu poput one, koje omogućavaju klasični kočioni sistemi. Progresivno kočenje obezbeđuje da HSD veoma efikasno štedi tu energiju i time se smanjuje potrošnja.
HSD sistemi imaju baterije, koje su tako dimenzionirane da omogućavaju jednokratno maksimalnu snagu prilikom ubrzanja od 0 do maksimalne brzine vozila. Ukoliko je potrebno više energije od toga, baterije mogu biti potpuno ispražnjena pa u tom slučaju dodatna električna energija neće biti raspoloživa. U tom slučaju, HSD sistem koristi isključivo snagu, koju šalje samo benzinski motor.
HSD dizajn i revizije
Osnovni dizajn THS, odnosno HSD sistema se nije promenio u odnosu na prvobitni dizajn iz 1997. godine, kada je predstavljena prva generaicja Priusa na japanskom tržištu. Sistem je, naravno, od svog predstavljanja, pa do danas, stalno unapređivan.
Originalni Prius je koristio baterijske ćelije napona 1,2 V, dok su svi ostali THS/HSD sistemi zasnovani na posebno projektovanim modulima sa naponom od 7,2V. Kapacitet, tj. specifična kapacitivnost, ovih ćelija se tokom vremena, polako, ali stalno povećava.
THS je koristio osnovnu voltažu baterija, koja je iznosila od 276 do 288V. HSD sistem koristi DC-DC pretvarač, koji podiže napon na 500V, što omogućava korišćenje baterija manjih dimenzija i snažnijih motora.
Iako nije deo HSD sistema, sva HSD vozila počevši od Priusa iz 2004. godine se isporučuju sa električnim klima kompresorom, umesto klasičnog kompresora, kojeg pogoni motor. Ovakav tip kompresora je omogućio da se motor može ugasiti kada je klima uređaj hladi unutrašnjost vozila. Grejanje kabine i dalje zahteva rad motora, kao što smo već naveli ranije.
Kod vozila sa pogonom na sva četiri točka (Lexus RX 400h, LS600h i Toyota Highlander Hybrid) koristi se i treći elektro motor – MGR, koji se nalazi na zadnjoj osovini. Kod ovakvog tipa pogona, zadnju osovinu pokreće isključivo električna energija i ne postoji mehanička veza između motora i zadnje osovine. Ovo omogućava korišćenje regenerativnog kočenja i na zadnjoj osovini. Dodatno, MG2 elektro motor je povezan sa prednjom osovinom preko drugog seta planetarnih zupčanika što omogućava povećanje snage električnog motora, koja se šalje ka osovini.
Najnovija generacija HSD sistema se koristi kod Lexus GS 450h i LS 600h modela. Ovaj sistem koristi dva kvačila, koja prebacuju odnos motora na 1,9 ili 3,9 i time se povećava efikasnost kompletnog pogona.
Treća generacija hibridnih sistema je prvobitno bila najavljena za 2009. godinu, kada je trebalo da se premijerno pojavi u novom modelu Priusa. Nova generacija bi trebala da, po rečima CEO Toyote Katusaki Watanabe-a, bude daleko jeftinija za proivodnju i daleko lakša. Međutim, Toyota je planove da se pređe sa NiMH (Nikl Metal Hidrid) baterija na litijum jonske odložila ili u potpunosti otkazala. Litijum jonske baterije nude daleko veću kapacitivnost na manjem prostoru, ali su skuplje i više se greju, što može predstavljati problem sa sigurnošću.
Toyota navodi da je očekivani životni vek baterija u aktuelnim modelima Priusa 15 godina.
Zašto Toyota Prius?
Toyota Prius je postala neverovatan prodajni hit na tržištu Severne Amerike, a posebno u SAD. Pored stvarno napredne tehnike, Toyota je odigrala na pravu kartu u marketinškom pogledu, pa je Prius postao ono što je nekad na tržištu SAD bila marka SAAB. Naime, tokom 80-tih i 90-tih godina, prosečan vozač SAAB automobila su bile visokoobrazovane osobe sa veoma visokim primanjima pa su se i SAAB automobili nekako poistovećivali sa intelektualno naprednim ljudima iz društava, koji su akcenat stavljali pre svega na bezbednost i na tehničke inovacije, koje je SAAB primenjivao u svojim proizvodima.
Toyota je specifičnosti Priusa iskoristila višestruko:
Tehnološki aspekt: Prius je počevši od kraja 90-tih preuzela, malopre pomenute kupce SAABA, tj. visokoobrazovane vozače željne novih tehnlogija.
Ekološki aspekt: ekološki svesni kupci automobila su druga grupa kupaca, koje je Prius privukao. Sa medijskim pritiskom i sve prisutnijim ekološkim problemima obezbeđen je i veliki broj kupaca, koji su želeli da imaju što ekološki čistiji automobil.
Izvesnu kontraverzu predstavljaju baterije kod Priusa. Naime, Toyota navodi da poseduje svu potrebnu tehnologiju za recikliranje baterija, koje se koriste kod Prius-a, i drugih Toyota hibrida. Kako bi demonstrirali da novinarski članci, koji su tvrdili suprotno, nisu istiniti, Toyota – navodno (nismo imali priliku da vidimo bateriju na Priusu, a moguće je da ova informacija važi samo za tržište SAD) – na svakoj bateriji ima napisan broj telefona i natpis da ukoliko vratite bateriju u Toyotu dobijate nagradu od 200$.
Ekonomski aspekt: Rapidno povećanje cena goriva na svim svetskim tržištima, ali i na američkom je uslovio, u kombinaciji sa ekonomskom recesijom, koja je na američkom tržištu prisutna već nekoliko godina, da mnogo vozača kupi Priusa iz potpuno finansijskih razloga. Ako se uzme u obzir da na tom tržištu nema dizel automobila, tj. prisustvo je praktično nepostojeće – jedini izbor za vozače, koji su želeli da uštede novac je bio Prius. Ako se tome doda i činjenica da su, zbog veoma čistog izduva, Priusu u mnogim zemljama smanjene takse za registraciju, jasno je kako je ovaj faktor možda i jedan od najznačajnih za uspešnu prodaju.
Na teritoriji SAD, poreska služba kupcima Priusa umanjuje oporezovanu sumu od 750 pa do 3000$, u zavisnosti od datuma kupovine automobila. Takođe, mnoge savezne države u SAD, daju posebne popuste, umenjenje poreza i čak povoljnije kredite za ovaj model. U državi Virdžinija, vozila sa posebnom nalepnicom, koja se daje hibridnim automobilima, omogućava njihovim vlasnicima da koriste kolovozne trake namenjene javnom transportu i taksi vozilima (žute trake). U gradovima San Jose i Los Angeles, parkiranje za vlasnike Priusa je potpuno besplatno. Pored ovakvih olakšica, posebne olakšice daju i brojne, uglavnom IT kompanije, svojim zaposlenima prilikom kupovine hibridnog automobila. U Engleskoj, vozači hibridnih automobila mogu besplatno da ulaze u uže područje grada Londona, što se inače plaća 8 GPB dnevno.
Marketinški aspekt: Kao ekološki automobil, veliki broj američkih javnih ličnosti je odlučio da im (jedan od) privatnih automobila bude baš Prius. Skoro je bilo nemoguće videti po tabloidima nekog poznatog, a da on nije bio baš u Priusu. Dakle, sasvim ispravno, Prius je postao nezaobilazna modna stavka mnogih, koji žele da budu u trendu.
Modni aspekt: 2004. godine, industrijski analitičari su izjavili da je Prius, pored svojih ostalih osobina, i način za prikazivanje modnih sklonosti vozača. Činjenica da je Prius jedini automobil, koji možete kupiti isključivo sa hibridnim pogonom je obezbedila da veliki broj ljudi kupuje Priusa upravo zbog toga. Da je teza u potpunosti tačna, govori i mnogostruko bolja prodaja Priusa nego Civic Hybrid modela, kojeg kupci ne žele da kupe zato što je identičan model moguće kupiti sa benzinskim motorom. Dokaz o tačnosti ove tvrdnje su pružili novinari New York Timesa u julu 2007, kojeg su i domaći čitaoci mogli pročitati u posebnom NYT dodatku Politike od 30. jula ove godine.